一种多层螺旋仿骨结构材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于仿骨材料技术领域，公开了一种多层螺旋仿骨结构材料及其制备方法与应用。本发明专利技术多层螺旋仿骨结构材料，具体为同轴的多层螺旋结构，每一层螺旋结构相同或不同的分别由一根或一根以上的螺旋纤维构成，每一层螺旋的角度相同或不同的分别为α，相邻两层螺旋结构的螺旋纤维分别为左旋结构和右旋结构，相邻两层螺旋纤维之间相同或不同的分别形成角度β。本发明专利技术材料模拟了骨单元中的多层螺旋的结构特征，具有优异的机械性能，其多层螺旋的结构特征，有效改善了在结构中力的分布与传递的情况，避免了大的应力集中破坏结构的情况，提高了多层螺旋的抗压缩、拉伸和弯曲的性能，可应用于建筑机械等结构材料领域、骨修复或组织修复等领域中。复等领域中。复等领域中。

【技术实现步骤摘要】
一种多层螺旋仿骨结构材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于仿骨材料
，特别涉及一种多层螺旋仿骨结构材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]骨中的Osteon的结构，是由同心环状骨板组成，骨板中的矿化胶原纤维呈螺旋状排列，由多层螺旋铺层结构构建而成。众所周知，骨组织优异的机械性能与这种独特的多层螺旋铺层结构密不可分。因此，制备一款具有仿骨组织多层螺旋铺层结构的材料，其力学性能较为优越，可满足特定环境下对工程结构材料对于力学性能的要求。
[0003]对于仿骨结构材料，以往有研究人员通过结合静电纺丝和双螺杆挤压技术获得了螺旋结构的支架(Biomaterials.34(2013)8203
–
8212.)，但并没有形成多层结构的特征(CN114290763A，CN101828981A)。也有研究人员通过构建聚乙二醇(PGA)纤维的旋转收集平台，制造仿骨单元的结构支架，但是得到的支架中各层之间纤维排列并非是有序的，这与骨单元中的多层螺旋结构存在差异。常见的制造工艺中，还没有有效的方法来实现多层螺旋仿骨结构材料的制造。
[0004]3D打印又称增材制造技术，它基于分层制造的原理来实现材料的加工。这种技术在计算机软件辅助设计模型或计算机控制下通过断层扫描，准确控制材料的成型。因此，该技术可以快速制造形状复杂的个性化结构材料。目前，也有使用3D打印工艺加工螺旋结构的研究报道，但均未实现每一层的螺旋纤维紧密排列，且层与层之间的纤维并未呈现一定的角度，且并未体现出多层的特征，这与骨单元中的多层螺旋结构存在明显差异，且该差异会导致力学性能有明显的区别(CN113274555A，CN11674035A)。
[0005]为了克服上述现有技术的缺点与不足，本专利技术的首要目的在于提供一种多层螺旋仿骨结构材料。
[0006]本专利技术的多层螺旋仿骨结构材料其结构为同轴的多层螺旋铺层结构。
[0007]本专利技术另一目的在于提供一种上述多层螺旋仿骨结构材料的制备方法。
[0008]本专利技术再一目的在于提供上述多层螺旋仿骨结构材料的应用。
[0009]本专利技术的目的通过下述方案实现：
[0010]一种多层螺旋仿骨结构材料，具体为同轴的多层螺旋结构，每一层螺旋结构相同或不同的分别由一根或一根以上的螺旋纤维构成，每一层螺旋的角度相同或不同的分别为α，相邻两层螺旋结构的螺旋纤维分别为左旋结构和右旋结构，相邻两层螺旋纤维之间相同或不同的分别形成角度β。
[0011]在本专利技术的一些实施例中，所述α可大于0
°
小于90
°
。
[0012]在本专利技术的一些实施例中，所述β可大于0
°
小于180
°
。
[0013]在本专利技术的一些实施例中，所述的多层指大于等于两层。
[0014]在本专利技术的一些优选的实施例中，所述的多层指三层或三层以上。
[0015]在本专利技术的一些实施例中，所述纤维均为实心结构。
[0016]在本专利技术的一些实施例中，可根据设计调整纤维的直径大小，整个多层螺旋仿骨结构材料的尺寸与纤维直径相关。
[0017]在本专利技术的一些实施例中，本专利技术的多层螺旋仿骨结构材料纵向为中空的圆柱状结构。
[0018]在本专利技术的一些实施例中，每一层螺旋结构的螺旋纤维均紧密连接。从外观上，每一层螺旋结构纵向形成中空的圆柱状结构。
[0019]在本专利技术的一些实施例中，相邻的两层螺旋结构紧密连接。
[0020]在本专利技术的一些实施例中，所述纤维的材料可为聚乳酸、聚己内酯、聚碳酸酯、尼龙和聚醚醚酮等可用于3D打印的工程塑料中的至少一种，或可为钛合金、铝合金、钴铬合金和铜合金等可用于3D打印的金属材料中的至少一种，或也可为氧化铝陶瓷、氧化锆、磷酸三钙和羟基磷灰石等可用于3D打印的陶瓷材料中的至少一种。
[0021]本专利技术的多层螺旋仿骨结构材料模拟了骨单元中的多层螺旋的结构特征，具有优异的机械性能，其多层螺旋的结构特征，有效改善了在结构中力的分布与传递的情况，避免了大的应力集中破坏结构的情况，提高了多层螺旋的抗压缩、拉伸和弯曲的性能。
[0022]本专利技术的多层螺旋仿骨结构材料具有优异的力学性能，由于其结构的特殊性，大至可应用于建筑机械结构件中，小至可应用于骨修复或损伤领域中制备得到骨支架材料，其适用性强，应用范围广泛。
[0023]本专利技术还提供一种上述多层螺旋仿骨结构材料的制备方法，通过3D打印的方法得到。具体包括以下步骤：
[0024](1)三维模型的建立：根据多层螺旋仿骨结构材料预定义的几何模型和内部的多层螺旋纤维铺层的结构特征，建立三维模型；
[0025](2)对模型进行切片处理和打印工艺参数的设定，获得3D打印机加工时材料打印喷头的运动路径，保存gcode格式文件；
[0026](3)3D打印机根据gcode格式文件对模型进行打印。
[0027]步骤(1)中，所述三维模型可采用常规使用的三维设计软件设计得到，如可使用但不限于Creo(Parametric Technology Corporation Creo parametric5.01.0)进行设计。
[0028]步骤(2)中，可采用常规的3D打印模型处理软件对模型进行切片处理和设定打印工艺参数并转换成文件，如可使用但不限于Cura(V15.06)软件，具体可为将STL格式的三维模型载入软件Cura，设定打印工艺参数，切片并转换成gcode格式文件。
[0029]步骤(2)中，所述打印工艺参数包括3D打印机的三维运动代码、打印喷头的运动路径、打印材料的输送速度、打印机喷头的温度、打印的速度、结构的填充率。
[0030]步骤(3)中，具体为将gcode格式文件导入3D打印机中，并编辑处理生成3D打印相应程序。
[0031]步骤(3)中，模型打印在3D打印机的基板上，打印完成后，再将多层螺旋仿骨结构材料与基板分离。
[0032]步骤(3)中，3D打印机可为熔融沉积型3D打印机、激光烧结3D打印机或光固化3D打印机等3D打印机。打印环境为室温即可。
[0033]本专利技术的多层螺旋仿骨结构材料可通过采用3D打印机打印逐层堆积得到。
[0034]本专利技术的多层螺旋仿骨结构材料其螺旋结构的高度、外径、内径和单根螺旋纤维
的直径均可设计，每一层螺旋上升角度与水平存在一定的夹角，夹角可设计，且打印的层数亦可设计，通过打印2层以上的结构可获得本专利技术的多层螺旋仿骨结构材料。
[0035]本专利技术的多层螺旋仿骨结构材料不仅可通过熔融挤出式3D打印的方法制备得到，还可以通过光固化、激光烧结等3D打印技术方法加工得到。
[0036]本专利技术相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
[0037]1、本专利技术的多层螺旋仿骨结构材料的多层螺旋结构具有仿生的特点，在仿生骨组织修复材料结构设计方面具有参考意义；
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多层螺旋仿骨结构材料，其特征在于具体为同轴的多层螺旋结构，每一层螺旋结构相同或不同的分别由一根或一根以上的螺旋纤维构成，每一层螺旋的角度相同或不同的分别为α，相邻两层螺旋结构的螺旋纤维分别为左旋结构和右旋结构，相邻两层螺旋纤维之间相同或不同的分别形成角度β。2.根据权利要求1所述的多层螺旋仿骨结构材料，其特征在于：所述α大于0
°
小于90
°
。3.根据权利要求1所述的多层螺旋仿骨结构材料，其特征在于：所述β大于0
°
小于180
°
。4.根据权利要求1所述的多层螺旋仿骨结构材料，其特征在于：所述多层螺旋仿骨结构材料纵向为中空的圆柱状结构。5.根据权利要求1所述的多层螺旋仿骨结构材料，其特征在于：每一层螺旋结构的螺旋纤维均紧密连接；相邻的两层螺旋结构紧密连接。6.根据权利要求1所述的多层螺旋仿骨结构材料，其特征在于：所述纤维的材料包括聚乳酸、聚己内酯、聚碳酸酯、尼龙和聚醚醚酮的用于3D打印的工程塑料中的至少一种，或包括钛合金、铝合金、钴铬合金和铜合金的用于3D打印的金属材...

【专利技术属性】
技术研发人员：李红，郭闯，吴佳成，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：